DE2739715A1 - Verfahren zur behandlung von schlammrueckstaenden von erdbohrungen - Google Patents
Verfahren zur behandlung von schlammrueckstaenden von erdbohrungenInfo
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Description
Dr.-lng. Walter Abitz
Dr Dieter F. Morf Dipl.-Phys. M. Grilschneder
8Munchen86,Pienzen3uerstr.28
2. September 1977 3184-B-219
SOCIETE HATIONAIiE EIiF AQUITAINE (PRODUCTION),
Courbevoie / Prankreich
Verfahren zur Behandlung von Schlammrückständen von Erdbohrungen.
80981 1/0777
3184-B-219 .
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von Schlammrückständen von Erdbohrungen, insbesondere von Bohrungen,
die bei der Suche nach Kohlenwasserstoffen durchgeführt werden. Sie betrifft eine teilweise Entwässerungsbehandlung
derartiger Schlämme, um ihre Rückführung in die Natur zu ermöglichen.
Führt man Erdbohrungen auf der Suche nach Erdöl- oder Naturgasschichten
durch, so müssen relativ grosse Mengen an Schlämmen entfernt werden, die durch die in die Bohrlöcher
eingespritzte Flüssigkeit gebildet werden. Diese Schlämme enthalten spezielle bekannte Zusätze, die bei einer derartigen
Verfahrensweise verwendet werden, sowie Bodenbestandteile, die insbesondere aus Si, Al, Ca, Mg, Fe usw. zusammengesetzt
sind, und verschiedene organische Materialien. Sie unterscheiden sich daher stark von Abwasserschlämmen und können
daher nicht nach üblichen Techniken behandelt werden, wie sie gewöhnlich auf letztere angewendet werden.
Tatsächlich sind die Bohrschlämme viskoser, hydrophiler und von einer sehr kolloidalen und thixotropen Struktur. Sie
sind hauptsächlich mineralisch und enthalten Kohlenwasserstoffe, wohingegen städtische Abschlämme vor allem organischer
Natur sind. In Wüstengegenden gießt man die Bohrschlämme in Vertiefungen oder Bassins unter Bildung von
Schlammlöchern. Aufgrund der physikalisch-chemischen Eigenschaften dieser Schlämme verfestigen sich jedoch diese
Schlammlöcher niemals vollständig durch natürliche Verdampfung, sondern bilden eine schlammartige Ablagerung, die
unter dem Namen "Floc" bekannt ist. Letztere bringt aufgrund
ihrer rheologischen Eigenschaften, die sie mit wanderndem Sand vergleichbar machen, die Gefahr des Versinkens für Menschen
und Tiere mit sich. Derartige Schlammlöcher können daher nicht in bewohnten Gebieten in der Natur belassen werden.
Die bisher empfohlenen bekannten Mittel zur Vermeidung derartiger Schlammlöcher sind mehr oder minder schwierig
durchzuführen und kostspielig. Dies trifft besonders auf
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den Pall des Transports der Schlammablagerungen zu einer
Stelle zu, wo Behandlungen, wie eine Verfestigung oder eine Veraschung durchgeführt werden.
Wegen des sehr hohen Wassergehaltes der in Präge stehenden
Schlämme, der 95$ überschreiten kann, in Verbindung mit der
kolloidalen Natur dieser Plüssigkeit, wodurch die mechanische Abtrennung von Peststoffen, insbesondere durch Filtrieren
oder Zentrifugieren, äusserst erschwert wird, konnte diese Abtrennungsmethode bisher nicht in Betracht gezogen
werden. Das Verdienst der vorliegenden Erfindung liegt in der Bereitstellung eines neuen Verfahrens, das im Gegensatz
zum Stand der Technik diese mechanische Abtrennung industriell durchführbar macht.
Das neue Verfahren gemäss der Erfindung besteht darin, zunächst
die Bohrschlammrückstände mit einem geeigneten Ausflockungsmittel zu behandeln; anschliessend wird der so
behandelte Schlamm einer Piltration oder Zentrifugierung unterzogen.
Die zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens geeigneten
Ausflockungsmittel sind insbesondere Kalk und Eisensalze. Obwohl Calciumhydroxid, Eisen-III-chlorid oder
Eisen-II-sulfat an sich hinsichtlich ihrer Ausflockungseigenschaften
bekannt sind und zur Entwässerung von städtischen Abschlämmen verwendet werden, wurden sie nicht zur
Herstellung eines Schlammes für die Piltration oder Zentrifugierung verwendet. Sie wurden auch nicht zur Behandlung
der speziellen Klasse von derart komplizierten Schlämmen, wie denen von Erdölbohrungen, verwendet.
Die erfindungsgemässe Koagulierbehandlung sollte derart
durchgeführt werden, dass der Schlamm deutlich alkalisch oder deutlich sauer gemacht wird, d.h. dass relativ grosse
Mengen an Ausflockungsmittel verwendet werden sollten;
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so sind mehr als 5 Gew.-$ dieses Mittels, berechnet bezogen
auf die Trockenmaterialien (MS) erforderlich, wobei die bevorzugten Anteile bei etwa 10 bis 30$ liegen.
Gemäss einer speziellen Ausführungsform der Erfindung umfasst
die Ausflockung vor der mechanischen Abtrennung, die gänzlich in alkalischem Milieu durchgeführt wird, ausserdem
den Zusatz eines Eisen-III- oder Eisen-II-Salzes. Man stellt
dann fest, dass die Filtrierbarkeit des so behandelten Schlammes wesentlich verbessert ist und man erhält bei
der Abtrennung durch Filtration oder Zentrifugieren die festen Materialien des Schlammes in einer weniger hydratisierten
Form.
In der Ausführungsform der Erfindung, bei der Kalk zusammen mit einem Eisensalz verwendet wird, sollten die Anteile
dieser beiden Mittel derart gesteuert werden, dass in dem behandelten Schlamm 0,05 bis 0,35 Äquivalente Eisen pro
Äquivalent Ca vorliegen; der bevorzugte Anteil liegt bei 0,1 bis 0,3 Äquivalenten Eisen pro Äquivalent Ca. Auf diese
Weise kann keine Neutralisation des Kalks durch doppelte Umsetzung mit dem Eisensalz erfolgen; lediglich ein geringerer
Anteil des Kalks geht diese Umsetzung ein.
Gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das vereinte Koagulans von Kalk mit Eisensalz
mit einem geringen Anteil eines der organischen Ausflockungsmittel versetzt, die in der Industrie unter der Bezeichnung
Polyelektrolyte bekannt sind. Besonders geeignet sind anionische
Polyelektrolyte und insbesondere Polyelektrolyte auf der Basis von Polyacrylamiden mit hohem Molekulargewicht,
die teilweise hydrolysiert sind, deren Ionisationsgrad 25$ übersteigt. Besonders die Polyacrylamide mit einem
Ionisationsgrad über 30$ ergeben gute Resultate bei der
Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens. Besonders vorteilhafte Ergebnisse erhält man mit etwa 0,2 bis 0,4$
eines derartigen anionischen Polyelektrolyten, bezogen auf
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das Gewicht der Trockenmaterialien des Schlammes.
Das Ausflockungspräparat zur mechanischen Abtrennung gemäss der Erfindung kann auch durch Zusatz eines der vorstehend
angegebenen Mittel, beispielsweise von Kalk oder Eisen-III-chlorid,
versetzt mit anionischen Polyelektrolyten bewirkt werden. Jedoch erhält man bessere Ergebnisse mit einem ternären
Ausflockungssystem, Kalk + Eisensalz + anionische Polyelektrolyte.■
Bedient man sich zur mechanischen Abtrennung nach der Ausflockung der Filtration, so führt man diese vorzugsweise
unter Druck durch, beispielsweise in einer Filterpresse, wobei der Druck 7 bis 15 bar und vorzugsweise 15 bar beträgt.
Zentrifugiert man anstelle der Filtration, so kann man verschiedene Arten von an sich bekannten Vorrichtungen mit kontinuierlicher
oder diskontinuierlicher Arbeitsweise, Dekantier- oder Filtrierarbeitsweise, verwenden; eine wesentliche
Bedingung liegt jedoch in der Anwendung einer Zentrifugalkraft auf den Schlamm von mindestens 2500 g und vorzugsweise
2900 bis 3500 g.
Die Erfindung wird durch die teilweise Deshydratisierung
von Schlämmen einer Erdölbohrung veranschaulicht, wobei die Schlämme folgende Charakter!stika aufweisen:
Aussehen: kolloidale viskose und hydrophile Suspension von schwärzlicher Farbe mit ausgeprägtem Kohlenwasserstoffgeruch;
pH-Wert: 7,6, Dichte: 1,1, Gehalt an Feststoffen in Suspension (MS): 55,2 g/l;
die Feststoffe des Schlammes bestehen aus 15$ organischen
Materialien und 85% mineralischen bzw. anorganischen Substanzen.
Die chemische Analyse dieser MS ergibt in Prozent:
Glühverlust | 21,6 | MgO | 5,1 |
SiO2 | 52,4 | P2O5 | 0,1 |
Fe2O5 + Al2O5 | 0,2 | Na2O | 2,1 |
CaO | 15,7 | K2O | 1,8 |
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Es ist ersichtlich, dass dieser Schlamm vorwiegend aus
Calcium- und Magnesium-ailicat und -carbonat besteht;
seine schwärzliche Färbung stellt ein Indiz für die anaerobe Zersetzung von organischen Substanzen, insbesondere von Kohlenwasserstoffen,
dar; er ist von sehr kolloidaler Natur, da seine Bestandteile fein dispergiert und stark hydratisiert
sind.
So wie er vorliegt, konnte dieser Schlamm nicht durch Filtrieren entwässert werden, da er sehr erhöhte spezifische FiItrationswiderstände
α und Kompressibilitätsfaktoren aufweist. !Datsächlich findet man für α die folgenden Werte in m/kg in
Punktion des angewendeten Druckgradienten.
α χ 1(T11
487
830 2500 4183
Der Kompressibilitätsfaktor s beträgt bis zu 0,81.
Die Trockenheitsgrenze, die man bei 7 bar erhält, ausgedrückt als Prozent Trockenmaterial, beträgt 38,8j6.
Die Bestimmungen der Piltrierbarkeit nach dem Zusatz von Kalk, PeCl-.6HpO oder beiden zu dem Schlamm, dessen Charakterist
ika vorstehend angegeben sind, führen zu den in der folgenden Tabelle I angegebenen Ergebnissen.
Man führt die Filtrationen unter einem Druck von 7 bar durch.
Der Prozentgehalt an Kalk und Eisen-III-chlorid bezieht sich
auf das Gewicht des MS des Schlammes.
Um ein Mass für die Trockenheit der abgetrennten Peststoffe
zu geben, sind die MS in Prozent angegeben.
Die Anzahl der Äquivalente an Eisen pro Äquivalent Calcium
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ist in der Spalte Äq.Fe/Ca angegeben.
IH)2 IbCl3.6aq. | Tabelle | I | S | % MS | |
JCa(O | 0 | Äq.Pe/Ca | α ΙΟ"11 | 0,75 | 41,0 |
10 | 5 | 0 | 930 | 0,74 | 41,8 |
Il | 10 | 0,205 | 540 | 0,76 | 42,6 |
It | 0 | 0,41 | 1100 | 0,69 | 42,0 |
15 | 5 | 0 | 760 | 0,65 | 43,6 |
Il | 10 | 0,136 | 400 | 0,63 | 44,5 |
Il | 15 | 0,272 | 550 | 0,76 | 44,9 |
Il | 0 | 0,408 | 750 | 0,67 | 43,1 |
20 | 5 | 0 | 665 | 0,63 | 43,8 |
Il | 15 | 0,103 | 280 | 0,59 | 45,8 |
Il | 0 | 0,309 | 260 | 0,63 | 43,2 |
30 | 5 | 0 | 320 | 0,56 | 46,8 |
Il | 10 | 0,0685 | 320 | 0,62 | 46,9 |
Il | 15 | 0,136 | 350 | 0,53 | 48,2 |
Il | 7,5 | 0,205 | 142 | 0,81 | 39,3 |
0 | 10 | - | 1100 | - | - |
Il | 15 | - | 750 | 0,66 | 41,4 |
Il | 20 | - | 500 | — | - |
Il | 30 | - | 400 | 0,63 | 43,3 |
Il | _ | 310 | |||
Ea ist ersichtlich, dass der Zusatz von Kalk allein sehr wirksam ist, da er den Widerstand α von 4183
χ 1011 auf 930 χ 1011 bei 10$ Kalk und sogar auf 320 χ
A Λ
10 bei 30$ Kalk verringert; jedoch wird durch den gleichzeitigen
Zusatz von Eisen-III-chlorid der Widerstand in
noch grösseren Proportionen verringert, da man an der
Grenze auf 142 χ 1011 für 30% Kalk mit 15% Eisen-III-chlorid
kommt. Man stellt jedoch fest, dass von da an ein bestimmter Anteil an FeCl, den Widerstand erneut erhöht, dies
ist der Fall bei 15% Kalk mit 15% Eisen-III-chlorid, was
0,408 Äquivalenten Fe pro Äquivalent Ca entspricht. Dies trifft ebenfalls zu, wenn man 10% Kalk mit 10% Eisen-III-
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Societe Nationale Elf 3184-B-219
Aquitaine (Production) ΛΟ ' «57007 ic
chlorid verwendet. Aus den Ergebnissen der vorstehenden
Tabelle ist ersichtlich, dass man die besten Widerstände, die beste Kompressibilität und Trockenheit für Anteile von
0,1 bis 0,3 Äquivalente Fe pro Äquivalent Ca erhält.
Man kann auch eine gewisse Verbesserung der Filtrierbarkeit erzielen, wenn man zusätzlich zu dem Kalk und einem Eisensalz
den Schlämmen 0,15 bis 0,40#, bezogen auf das Gewicht der MS,eines anionischen Polyelektrolyten (insbesondere
eines teilweise hydrolysieren Polyacrylamid^, wie es im
Handel erhältlich ist) zufügt. Zwar erhöht ein derartiger
Zusatz etwas den Kompressibilitätsfaktor, jedoch trägt er dazu bei, den Widerstand Qc zu verringern und die Trockenheit zu verbessern. So wird beispielsweise mit 0,2 % teilweise
hydrolysiertem Polyacrylamid, bezogen auf die MS, in Anwesenheit von 15 % Ca(OH)- und 5 % PeClx.6aq (fünfte Zeile
^ 11
der Tabelle I) der Widerstand bei 7 bar auf 350 χ 10 verringert
und die Trockenheit steigt auf M,2 % an, wohingegen die
Kompressibilität s auf 0,85 ansteigt.
Die vorstehenden Beobachtungen wurden in halbindustriellen Versuchen voll bestätigt, bei denen die vorstehend beschriebenen
Schlämme in einer Filterpresse mit 8 Platten und Kammern von 300 χ 300 mm bei einer Gesamtfiltrationsfläche
von 1 m behandelt wurden. Dieses Filter wurde aus einem
Trog von 150 1 Fassungsvermögen beschickt, in dem der Schlamm mit seinen Zusätzen, Kalk und Eisensalz, zur Ausflockung
gerührt bzw. bewegt wurde. Die Beschickung des Filtrats mit dem Schlamm erfolgte mittels einer Kolben-Membran-Pumpe
mit hohem Druck, der 15 bar erreichen konnte; der Durchsatz betrug 1 m /Stnd.
Diese halbindustriellen Versuche wurden mit Anteilen von Ausflockungszusätzen von 15 bis 20$, bezogen auf die MS
des Schlammes für Kalk und von 5 bis 7$ für Eisen-III-chlorid,
durchgeführt. Andere Versuche wurden mit 30$ Kalk
und 10 bis 15$ Eisen-II-sulfat, FeSO..7H2O, durchgeführt.
Man erzielte so Filtrationskapazitäten von 2,5 bis 3
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Die Ausbeute der Abtrennung von unlöslichen Anteilen überschritt
99,5#, das Piltrat ergab weniger als 100 mg suspendiertes
Material pro Liter. Das Trockenmaterial des Filterkuchens umfasste 35 bis 38# MS und war leicht handzuhaben.
Die erfindungsgemässe Behandlung der Schlämme wurde auch
durch Zentrifugieren nach Zusatz der vorstehend beschriebenen Ausflockungsmittel durchgeführt. Es wurden Versuche
mit einer kontinuierlichen Dekantiervorrichtung Guinard D mit voller Schleudertrommel durchgeführt, die einen zylindrischen
Teil von 18 cm Durchmesser für die Sedimentierung, verlängert durch einen konischen Teil zum Absaugen des Sediments,
aufwies. Die gesamte zylindrisch-konische Einrichtung konnte mit einer steuerbaren Geschwindigkeit von 1500
bis 6500 U/min rotiert werden. Eine Extraktionsschnecke, die sich im Inneren der Schleudertrommel mit einer steuerbaren
Geschwindigkeit, die leicht über der der Trommel lag, drehte, sicherte eine kontinuierliche Extraktion des entwässerten
Schlammes.
An dem gleichen Schlamm, dessen Charakteristika zu Beginn
der vorstehenden Beschreibung angegeben wurden, erhielt man durch Zentrifugieren die in der folgenden Tabelle II
angegebenen Ergebnisse.
Der Schlamm wurde zunächst mit 20# Ca(OH)2.(bezogen auf
die MS) und 7% FeCl~«6aq. behandelt und darüberhinaus mit
einem gewissen Anteil an anionischen Polyelektrolyten (teilweise hydroIysiertem Polyacrylamid) wie in' der Tabelle
II angegeben, versetzt.
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Umdrehungsgeschwindigkeit U/min
6350
5450
3850
5450
5450
3850
5450
Il
Il
Il
Il
Zen-fcrifu- Einspeisung Polyelektrogierkraft
d.Schlamms Iyten in
χ g
4000
2920
2920
1475
2920
2920
Il
Il
Il
Il
ti
kg/MS/Stnd.
O
CO
OO
21,6
Il
Il
33,75
Il
Il
Il
47,0
Il
MS 0,35
Il
Il
0,30 0,25 0,20 0,16 0,40 0,30
Ausbeute
in # MS
99 >99
98,4
85,8 >99 >99
[Trockenheit MS im Sediment
28,5 26,3 21,4 29,2 26,4 24,8 20,1 33,3 30,7
K)
CO CO
cn
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Es ist ersichtlich, dass unter einer Zentrifugierkraft von 1500 g die Entwässerung nicht mehr ausreichend ist und dass
die Rolle des anionischen Polyelektrolyten bei dem Zentrifugieren von grosser Bedeutung ist, daee-mit 0,4#/MS dieses
Zusatzes eine Trockenheit von 33,3$ MS'erhalten wird, was
ein sehr leicht zu handhabendes Produkt darstellt, wohingegen unter 0,2$ dieses Zusatzes der Trockenheitsgrad zu
wünschen übriglässt.
Sie Filter- oder Zentrifugierkuchen, die man beim erfindungsgemässen
Verfahren erhält, sind - obwohl sie noch viel Wasser enthalten - ausgezeichnet handzuhaben, können leicht transportiert
und in Schlammlöchern abgelagert werden. Letztere sind nicht mehr gefährlich, da sie auf die Dauer an der
freien Luft verfestigt werden. So können die Schlammlöcher nach dem Abladen von filter- oder Zentrifugierkuchen aufgeschüttet und der Kultur zurückgegeben werden; sie enthalten
keinen toxischen Bestandteil.
- 10 -
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Claims (7)
1. Verfahren zur teilweisen Entwässerung von Schlammrückständen
von Erd- bzw. Bodenbohrungen durch Abtrennung des V/assers durch Filtrieren und/oder Zentrifugieren,
dadurch gekennzeichnet, dass man die Schlämme vor der Abtrennung mit einem oder mehreren Ausflockungsmitteln
versetzt.
2. Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
man dem Schlamm als Ausflockungsmittel Kalk oder ein Eisensalz in einer Menge von 5 bis 30/& des Gewichts des
Trockenmaterials des Schlamms zufügt.
3. Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man den Schlamm mit Kalk und einer geringeren Menge an
Eisensalz versetzt, wobei die Zahl der Äquivalente an Eisen 0,4 pro Äquivalent zugesetztes Calcium nicht
überschreitet.
4. Verfahren gemäss Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass man ein Ausflockungsmittel verwendet, das aus Kalk in einer
Menge von mindestens 5$, bezogen auf die Trockenmaterialien
des Schlammes, und vorzugsweise von 10 bis 30$,
zusammen mit 0,05 bis 0,35 Äquivalenten Eisen und vorzugsweise 0,1 bis 0,3 Äquivalenten Eisen pro Äquivalent Calcium
besteht.
5. Verfahren gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man die Schlämme vor der Filtration
und/oder dem Zentrifugieren mit einem anionischen organischen Polyelektrolyten, der flockenbildende Eigenschaften
aufweist und insbesondere Polyacrylamiden, die teilweise hydrolysiert sind und einen Ionisierungsgrad
von über 25?S und vorzugsweise über 30$ aufweisen, versetzt.
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ORIGINAL INSPECTED
3184-B-219 η
6. Verfahren gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass man die Entwässerung nach der Ausflockung durch Filtrieren unter Druck, insbesondere
von 7 his 15 bar und vorzugsweise von 15 bar, durchführt
.
7. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass man die Entwässerung durch Zentrifugieren
durchführt, wobei man den Schlamm einer Zentrifugalkraft von mindestens 2500 g und vorzugsweise von
2800 bis 3500 g aussetzt.
80981 1/0777
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